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STL c++ 详解——stack与queue模拟实现与deque的介绍

news 来源：原创 2025/5/6 13:35:08

stack的介绍和模拟实现

stack的介绍

函数说明					接口说明
stack()					构造空的栈
empty()					检测stack是否为空
size()					返回stack中元素的个数
top()					返回栈顶元素的引用
push()					将元素val压入stack中
pop()					将stack中尾部的元素弹

stack的模拟实现

从栈的接口中可以看出，栈实际是一种特殊的 vector ，因此使用 vector 完全可以模拟实现 stack 。

#include<vector>
namespace bite
{
template<class T>
class stack
{
public:
stack() {}
void push(const T& x) {_c.push_back(x);}
void pop() {_c.pop_back();}
T& top() {return _c.back();}
const T& top()const {return _c.back();}
size_t size()const {return _c.size();}
bool empty()const {return _c.empty();}
private:
std::vector<T> _c;
};
}

queue的介绍和模拟实现

queue的介绍

队列作为容器适配器实现，容器适配器即将特定容器类封装作为其底层容器类，queue提供

一组特定的成员函数来访问其元素。元素从队尾入队列，从队头出队列。

函数声明				接口说明
queue()				构造空的队列
empty()				检测队列是否为空，是返回true，否则返回false
size()				返回队列中有效元素的个数
front()				返回队头元素的引用
back()				返回队尾元素的引用
push()				在队尾将元素val入队列
pop()				将队头元素出队列

模拟实现

因为queue的接口中存在头删和尾插，因此使用vector来封装效率太低，故可以借助list来模拟实
现queue，具体如下：

#include <list>
namespace bite
{template<class T>class queue{public:queue() {}void push(const T& x) { _c.push_back(x); }void pop() { _c.pop_front(); }T& back() { return _c.back(); }const T& back()const { return _c.back(); }T& front() { return _c.front(); }const T& front()const { return _c.front(); }size_t size()const { return _c.size(); }bool empty()const { return _c.empty(); }private:std::list<T> _c;};
}

容器适配器

适配器是一种设计模式(设计模式是一套被反复使用的、多数人知晓的、经过分类编目的、代码设

计经验的总结)，该种模式是将一个类的接口转换成客户希望的另外一个接口。

上面的queue和stack都是容器适配器

STL标准库中stack和queue的底层结构

虽然这两个也是可放元素的，但是没有划分到STL容器中，而是管他们叫容器适配器。他们可以接收其他容器的接口作为底层结构。

STL中stack和queue默认使用deque，比如：

deque介绍

为什么stack和queue默认使用deque，而不用其他容器。请看👇

deque(双端队列)：是一种双开口的"连续"空间的数据结构，双开口的含义是：可以在头尾两端

进行插入和删除操作，且时间复杂度为O(1)，与vector比较，头插效率高，不需要搬移元素；与

list比较，空间利用率比较高。这种特性使得 deque 在很多场景下比普通队列更具优势，比如需要频繁在两端操作数据的情况。

deque 并不是真正连续的空间，而是由一段段连续的小空间拼接而成的，实际 deque 类似于一个

动态的二维数组 ，其底层结构如下图所示：

中控器（map）：图中的 map 是 deque 的中央控制器，本质上是一个指针数组。它存储着指向各个缓冲区的指针，用于管理和定位 deque 中元素的存储位置。当 deque 需要扩展或访问元素时，通过 map 可以快速找到对应的缓冲区。
缓冲区：多个固定大小的连续内存块，用于实际存储 deque 的元素。每个缓冲区能容纳一定数量的元素，当一个缓冲区存满后，deque 会利用 map 找到或分配新的缓冲区来继续存储元素。图中还提到当 map 使用率满载时，需要重新分配更大空间作为 map，这涉及到内存管理和数据迁移操作，以保证 deque 能持续正常工作。

`deque` 内容

deque 的迭代器是一个复杂的对象，它封装了对中控器和缓冲区的操作。迭代器包含以下几个重要成员：

cur：指向当前缓冲区中正在访问的元素。
first：指向当前缓冲区的起始位置。
last：指向当前缓冲区的结束位置。
node：指向中控器中当前缓冲区对应的指针。

通过这些成员，迭代器可以在不同的缓冲区之间移动，实现对 deque 中元素的遍历。当迭代器移动到当前缓冲区的边界时，它会通过 node 指针找到下一个或上一个缓冲区，并更新 cur、first 和 last 指针。

插入和删除操作

两端插入和删除：在 deque 的两端插入或删除元素时，通常只需要在当前的缓冲区进行操作，或者在必要时分配或释放一个新的缓冲区。因此，在两端插入和删除元素的时间复杂度为 \(O(1)\)。
中间插入和删除：在 deque 的中间插入或删除元素时，需要移动部分元素。具体来说，需要将插入或删除位置之后的元素在缓冲区之间进行移动，以腾出或填充空间。因此，在中间插入或删除元素的时间复杂度为 \(O(n)\)，但由于 deque 的分段连续存储结构，移动的元素数量通常比 vector 要少。